宁夏固水区受水区河道内生态环境需水量分析

宁夏固水区受水区河道内生态环境需水量分析

宁夏固原地区南部六盘山东麓的地表水充分利用，通过收集和调整，向北运输至宁夏中部干旱地区的元州区、西吉县、彭阳县和海原县（以下简称“受水区”）。该项目的实施是宁夏自治区政府解决受水区干旱缺水的战略性举措,这一举措给固原城乡饮水水源工程受水区水资源带来了新的要求,即查清该区域水资源开发、利用和保护现状,找出水资源开发和管理等方面存在的问题,立足于水资源的合理开发和配置,提出解决受水区水资源紧缺的基本思路和措施。为此诸多研究机构对固原城乡引水工程受水区水资源配置问题进行过一些论证和研究,但至今尚未有人对受水区生态环境需水及在其基础上如何合理进行水资源配置开展全面和系统的研究。鉴于此,笔者对受水区河道内的生态环境需水进行系统研究,以期对受水区生态建设、水资源合理配置及可持续发展提供参考。1主要气象灾害及流域受水区包括宁夏南部山区固原市的原州区、彭阳县、西吉县以及中部干旱区中卫市的海原县,总面积11204km2,属黄土丘陵区,干旱少雨,多年平均降水量为350~499mm,年平均水面蒸发量为850~1200mm,蒸发强烈,旱灾是当地的主要气象灾害。受水区所涉及到的流域主要有清水河流域、葫芦河流域、泾河流域以及祖厉河流域。其中彭阳县境内河流主要有泾河支流洪河、茹河和蒲河;西吉县境内河流水系主要有葫芦河、清水河、祖厉河;原州区境内河流水系主要有葫芦河、清水河;海原县境内河流水系主要为清水河。2河道内生态环境需水量河道内生态环境需水量包括维持河道内水生生物、河道外人工饲养动物及野生动物正常生存需水量、维持河流水沙平衡需水量、保持河流水体自净功能的水量、补充河流蒸发所需水量等［1－5］。河道内生态环境需水量不是上述各分项的简单叠加,笔者根据研究区域的特点,对上述各分项之间的相互关系进行分析,从而进一步对受水区河道内的生态环境需水量进行分类和界定。(1)受水区内人工饲养动物的饮用水属于畜牧业用水,而野生动物饮水虽属生态环境需水的范畴,但因野生动物数量很少,需水所占比例也很小,因此这部分水量可忽略。(2)受水区河流汛期径流集中,泥沙含量大,汛期输沙量占全年输沙总量的80%以上,即河流的输沙功能主要在汛期完成,维持河流水沙平衡的需水量很少,因此河道内生态环境需水量忽略输沙需水量。通过对上述受水区生态环境需水特点的分析,同时从方便计算的角度考虑,将受水区河道内生态环境需水量进一步界定为维持水生生物正常生存的河流基本生态环境需水量、稀释自净需水量、蒸发需水量和渗漏需水量。依据《宁夏回族自治区县(区)水资源详查报告》中关于各行政区域长流水沟道调查结果,本文仅计算受水区内长流水河道的生态环境需水量。3计算与分析3.1河流的基本生态环境需要水3.1.1河道基本生态环境需水量tTennant法是依据观测资料而建立起来的适用于干旱半干旱地区流量和栖息地质量之间的经验方法。该方法不需要现场测量,在有水文站点的河流,年平均流量的估算可以从历史资料获得;在没有水文站点的河流,可通过可以接受的水文技术来获得,因此该方法在干旱半干旱地区得到了广泛应用。从保护生态的角度来看,Tennant法是从大量研究统计中得到的平均规律,是保持河道内的水生生物和生态系统较为良好状态的基本流量。结合研究区的实际情况,本文采用Tennant法计算河道内基本生态环境需水量。表1为受水区域各县(区)河道径流量的月分配情况。3.1.2基本生态环境需水量根据流量级别及其对生态的有利程度,运用Tennant法将河道内生态环境需水量确定为不同的级别,并为不同级别推荐了河流生态环境需水量占多年平均径流量的百分比。依据Tennant法分析受水区径流分配情况及规律,将河流生态环境需水量计算在时间上进一步细化,生态环境需水量占天然径流量的百分比也稍作改进。受水区地处西北干旱半干旱区域,其中1—3月和12月,河流基本处于冰冻期,河流流量较小,水生动植物处于休眠状态,对水量的要求较低,选择该时段多年平均径流量的10%作为最小生态环境需水量;4—5月虽然天气转暖,但从研究区径流分布的实际情况来看,这一时段河道的径流量依然很小,同时考虑研究区水资源紧缺的情况,该时段依然选择多年平均径流量的10%作为最小生态环境需水量;6—9月是研究区的主要降雨季节,河流流量最大,水生动植物的需水量也最大,综合考虑研究区情况,选择该时段多年平均径流量的15%作为最小生态环境需水量;10—11月天气转冷,水生动植物活动减弱,选择该时段多年平均径流量的10%作为最小生态环境需水量［6］。基于上述分析,将河道内基本生态环境需水量计算全年分为两段:10月—次年5月基本生态环境需水量的最小值取多年平均径流量的10%;6—9月取多年平均径流量的15%。选择Tenant法4级标准(“好”),即生态环境需水量占多年平均径流量的比例为30%［7］,计算河道处于较好状态时的河道内基本生态环境需水量;生态环境需水量的最大值各时段均取平均径流量的150%。计算结果见表2由表2可知,受水区各县(区)的河道内基本生态环境需水量最小值由大到小依次为:原州区1580万m3、彭阳县1190万m3、西吉县990万m3、海原县910万m3。各县(区)集水面积由大到小依次为海原县、西吉县、原州区、彭阳县。海原县集水面积虽然很大,但由于其地处宁夏中部干旱带,降雨稀少,径流量小,因此其河道基本生态需水量为最小值。由此可见河道内基本生态环境需水量大小既取决于区域降水量又取决于区域集水面积。受水区河道内基本生态环境需水量呈现由南部山区向中部干旱带递减的趋势,这与径流量的变化趋势相一致。3.2蒸发需水量计算对于河流而言,水面蒸发是水循环和水量平衡的基本要素之一,是水量转移和热量转移的综合表现。水面蒸发的结果使河流的水量减少、水中的大部分污染物浓度相对增加,因此河流蒸发应该归入生态环境需水的范畴。河流的水量损失很大一部分是蒸发损失。依据《宁夏回族自治区县(区)水资源详查报告》和《宁夏回族自治区第二次土地调查图集》确定各县(区)河流流域面积、河道水面面积,计算各县(区)河流年均蒸发量。宁夏中南部地区水面常年蒸发量大于降雨量,按下式计算河流水面蒸发需水量［8］(结果见表3):式中:Qzf为自由水面蒸发需水量,万m3;A为河流水面面积,km2;E为蒸发量,mm;P为降水量,mm。由表3可知,受水区各县(区)的河道水面蒸发需水量由大到小依次为:原州区203万m3、海原县144万m3、西吉县22万m3、彭阳县8万m3,总体呈现出由南向北递增的趋势,这与受水区由南向北蒸发量大于降雨量的变化趋势一致。3.3河道稀释净化能力计算污染稀释水量是指河流水质达到水功能规划要求需增加的水量。河流环境水量的一个重要功能是稀释自净污染物,流量越大、流速越快,河流的生态功能就越强,对污染物的稀释自净能力就越大。一般可采用功能设定法计算,根据河流的稀释、自净等环境功能,设定合理的河道稀释净化环境需水量Qjh,表达式为式中:Qjh为河流污染物稀释净化需水量,万m3;Qw为达标排放的废污水量,万m3;λ为河流稀释系数,通常情况下取5。通过对各县(区)排污情况实地调查,结合《宁夏回族自治区县(区)水资源详查报告》,计算受水区稀释净化生态环境需水量(见表4)。3.4河流生态环境需要水3.4.1河道需水量河道内生态环境需水量并不是上述各分项的简单叠加,其中河道内基本生态环境需水量与输沙需水量及稀释净化需水量属于重叠项,各项相比取其大值。由表1和表4可以看出,各县(区)河道内基本生态环境需水量大于稀释自净需水量,而河道内输沙需水量忽略不计,因此,取基本生态环境需水量与蒸发需水量及渗漏需水量(取基本生态环境需水量的10%)叠加作为河道内总的生态环境需水量(见表5)。考虑研究区干旱缺水的实际情况,本文只对河道处于较好状态下的生态环境需水量及其最小值进行统计分析。由表5可以看出,受水区河道内最小生态环境需水量由大到小依次为:原州1941万m3、彭阳1328万m3、海原1145万m3、西吉1100万m3,较好状态下的生态环境需水量也呈现出相同的规律。河道内总生态环境需水量与基本生态环境需水量也有相同的变化趋势。3.4.2基本生态环境需水量由河道内生态环境需水量各分项所占比例(见图1)可知,位于南部山区的原州区、彭阳县、西吉县河道内基本生态环境需水量所占比例较大,均在80%以上,蒸发需水量所占比例却相对较小;而中部干旱带的海原县河道内基本生态环境需水量所占比例接近80%,而蒸发需水比例相对增大,这与区域蒸发量由南向北递增的趋势是一致的。在对资料缺乏地区河道内生态环境需水量进行计算时,如果确定了河道内某项需水量,其他项可以此为标准进行简单估算［7］。3.4.3河道内生态环境需水量计算各县(区)河道内生态环境需水量占径流量的比例(见表6)表明:受水区各县(区)河道内生态环境处于较好状态时,河道内生态环境需水量占径流量的比例为33%~35%,与杨国宪等［10］的研究成果相吻合;河道内生态环境需水量最小值占径流量的比例为11%~17%,与王西琴等［11］的研究成果基本一致。在地表水资源开发利用及配置过程中,必须保证合适的生态环境用水比例,以维持河道内生态环境系统的健康、良性发展,实现经济效益的同时实现生态效益。4河道内生态环境需水量(1)采用Tennant法计算了受水区河道内基本生态环境需水量。根据受水区月径流分布特点,对该方法进行了改进,在时间上进一步细化,在计算比例上也进行了改进,计算结果更符合研究区的实际情况。(2)通过计算可知,受水区河道内生态环境需水量由大到小依次为:原州区、彭阳县、海原县、西吉县,基本呈现出由南部山区向中部干旱带递减的趋势。(3)南部山区的原州区、彭阳县、西吉县河道内基本生态环境需水量所占比例较大,均在80%以上,蒸发需水量所占比例相对较小;中部干旱带的海